光波导理论与技术.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光波导理论与技术,自动化测试与控制系,2006,年春,参考教材,微波与光电子学中的电磁理论（第二版），张克潜、李德杰 著，,2001,年,5,月，电子工业出版社，研究生教学用书，教育部研究生工作办公室推荐,光波导理论与技术，李玉权 崔敏 编著，人民邮电出版社，,2002,年,12,月第一版,光波工程，,日本,国分泰雄 著，（先进光电子技术丛书），科学出版社，,2002,年,导波光学物理基础，佘守宪编著，北方交通大学出版社，,2002,年,8,月第一版,序言,光电子技术的应用：光通信、光信息处理、光存储、光计算、光传感、激光加工,-,新的光学分支：光纤光学，集成光学，薄膜光学，二元光学，微光学,非线性光学，变折射率光学、自适应光学,-,本课程将光作为电磁波，研究光的传播规律。,光是电磁波,电磁波的范围,：,10,26,Hz-10Hz,可见光波长,：,400nm700nm,无线电波长：,10,-4,m10,6,m,光的传播,自由空间光（,free space wave,）：在均匀介质中传播的光。如由透镜、棱镜等各种光学元件组成的常见的光学仪器设备，自由空间激光通信，激光雷达，光束变换，,导波光（,guided wave,）：光被局限于特定的区域内传播，通常被限定在与传播方向垂直的限定截面内。约束导波光的介质称之为光波导（,optical waveguid,）。如光纤，光纤传感器，光纤器件（光纤光栅、光纤放大器，光互联），,麦克斯韦方程的贡献：,存在电磁波，,预言了光就是电磁波，,电磁场具有能量和动量，从而揭示了电磁场的物质性。,如何控制光的传播？,透镜的波面变换作用,折射、衍射规律；,光波传播过程中，波面的振幅、相位发生变化。,光纤通信发展历史,波长：,850nm 1310nm 1550nm,比特率,20-100Mb/s,，最大中继间距,10Km,比特率,4Gb/s,，最大中继间距,100Km,频分复用，波分复用；光孤子高速长距离,1995,年法国，,20Gb/s,传输,10,6,Km,Whats next?,全光网：光子开关，光互连，光放大，光变频，,-,光互联,激光通信优点,激光通信发散角约,10,微弧度，比,RF,和微波通信小,34,数量级，光束捕捉困难，保密性好；,天线体积小，重量轻，适用于卫星、航天器；,数据传输速率高、与,RF,、微波频带不同；,大气层内的通信距离为几十,几百公里，大气层外通信距离几千公里，甚至上万公里；,需要高精度的捕获、跟踪、瞄准技术（,ATPAcquisition,Tracking,Pointing,），跟踪精度小于,2,微弧度，瞄准精度小于,1,微弧度。,自由空间激光通信,相控阵激光雷达,激光跟踪测距雷达、激光成像雷达、激光合成孔径雷达,-,相控阵激光雷达通过对激光束的相位控制和波束合成技术，实现波束功率增强和电扫描；,美国在,70,年代初开始光学相控阵研究，早期用钽酸锂晶体制成一维光学移相阵列，而后用液晶制成二维光学相控阵样机，在,4,4,面积上有,1536,个移相单元。,光束敏捷控制,液晶偏转光束原理,光束通过一定厚度的液晶层，层内折射率的差异产生光程差，由此改变波前相位。,利用液晶折射率可控的特性控制波前相位。,光束敏捷控制应用,自适应光学,波前校正,波前误差测量，波前重构，,空间光调制器,改变光波波前的振幅、相位。,种类：声光调制器，变形镜，微镜阵列，液晶，光折变晶体,-,液晶空间光调制器,光存储,光信息拾取,液晶透镜：,CLCConvex Liquid Crystal,ADLCAdaptive Liquid Crystal,全息光存储,全息成像：先使照射物体的物光和参考光干涉产生条纹，记录该干涉条纹的称之为全息图，再用原来的参考光，或与参考光的共轭光照射全息图，可再现原来的物体。,共轭光：与某光波的波面形状相同，但反向传播的光波。,光折变晶体：晶体（如铌酸锂,LiNbO,3,）在聚焦的强激光照射下折射率发生变化。用于全息成像时，全息干涉条纹使晶体中相应的折射率变化形成全息图（代替全息感光干板）。该全息图可以擦除重写，因此是实时全息图。,全息光存储,数据读出：读出激光束也经,LCSLM,进入光折变晶体，由于相位共轭，读出光束精确复现写入的干涉信息，并被阵列光电检测器接收。,存贮介质：光折变晶体；,利用相位共轭简化光路；,液晶空间光调制器（,LCSLM,）精确控制三维信息存贮位置。,数据写入：写入激光束的水平分量（物光）从数据,SLM,获取信息进入光折变晶体，垂直分量（参考光）被,LCSLM,作二维偏转，在光折变晶体中与水平分量相遇产生干涉，写入信息被存储在光折变晶体的确定位置。,全息光存储优点,体积小；,存贮量大；,信息失真小；,速度高。,全息光存储的应用,光学相关运算器，用于目标跟踪图像处理的。,近场光学显微镜,瑞利判据：传统光学显微镜能够探测到的物体最小细节总是大于波长的一半。,亚波长尺寸的探针在被照明的样品表面逐点扫描以获得不同局域点的信息，并保持探针,样品之间数十纳米的间距，表面的近场光被接收后即可获得反映样品表面微小结构的光学图像。,亚波长结构的信息隐藏在非辐射场（倏逝波场）中，远场只有传播波，不包含样品的亚波长结构信息。,近场光学,捕陷,(optical traps),单模光纤结构捕陷（,n1=1.4544,n2=1.45,2a=8,m,and 2b=125,m.,）光源为,He-Ne,激光（,=632.8nm,）。当粒子接近光纤顶端时，它将被光纤顶端的近场成梯度变化的力捕获。,SNOM,聚苯乙烯胶体微粒,(,约,2m),排成,“,光,”,字形图案,STM,单原子操纵将,36,个钴原子排成了椭圆形的量子围栏,光压,微粒说,1900,年普朗克提出“量子化假设”，认为发光过程是量子化的；,1905,年爱因斯坦提出“光子”概念，认为不仅发光过程是量子化的，而且在传播过程中以及与物体的作用也是量子化的。光波由大量具有能量和动量的“辐射能量子”、即“光子”组成。,光压是在光子与微粒发生动量转移或交换时产生的。,激光的高亮度和,可,聚焦到很小光斑的能力使其可以达到极高的光强，从而大大提高了光束的辐射压力,，可用于对,宏观介质微粒的光捕陷、光悬浮和光操纵,等操作，,所处理的微粒直径在数十纳米至数十微米,。,光压的应用,太阳帆是一种不带机械动力装置的轻便航天器，当光子撞在帆上被吸收时，按照动量守恒原理，帆就会获得动量增量，这就是光的压力。,光镊,(optical tweezers),，是用光捕陷,(optical traps),的手段来控制介质颗粒的运动。,在基础物理学、大气物理、生命科学、化学、精密测量及技术领域等方面具有重要的应用价值。,。,光镊（,optical tweeze,）,光镊又称单光束粒子阱，利用光与物质微粒之间的动量传递力学效应（光压）。,对微米、纳米量级的微粒进行操作、测量。,Schematic diagram of a typical optical tweezers set,